梅家林 杜志剛 王首碩

(武漢理工大學交通與物流工程學院 武漢 430063)

0 引 言

地處復雜山區(qū)高速公路的橋隧路段，駕駛人在駛入和駛出隧道時，外部環(huán)境在強視覺參照系和弱視覺參照系之間急劇變化，會引起“黑洞效應”和“白洞效應”，是交通事故多發(fā)地段[1].隧道洞門附近的事故率高于隧道中間段，隧道交通事故以追尾和碰撞為主[2-3].相比于白天的隧道出口段，隧道入口段在白天有明顯的“黑洞效應”，給駕駛人產(chǎn)生更為嚴重的視覺負荷，因此針對隧道入口區(qū)域進行改善研究，是隧道安全改善工作的重心.

目前隧道入口交通安全改善措施以照明改善研究為主，但是實際上很多高速公路隧道在運營中全天均采用相同的照明方案，造成了巨大的能源浪費.近年來對夜間節(jié)能照明研究取得了一些進展[4].文獻[5]提出，在長度500 m

目前針對隧道入口區(qū)域研究有駕駛人的視覺負荷[9]、隧道內(nèi)不同場景下的視覺特性[10]等，大多是針對白天隧道入口進行研究，對于夜間駕駛人視覺特性較少，其中多為亮度與駕駛人對障礙物的視認距離的研究[11].現(xiàn)有研究主要是針對白天隧道入口的駕駛人的瞳孔面積變化、隧道與其他道路的視覺特性對比等方面，對于隧道入口區(qū)域的劃分較為籠統(tǒng)，并且對于隧道入口區(qū)域不同區(qū)段的視覺特性研究不夠細致、詳細，對夜間駕駛人的視覺特性的研究較少，缺乏對不同時段的駕駛人視覺特性的對比研究.

隧道入口段的“黑洞效應”和“白洞效應”引起的瞳孔面積快速變化，將影響到駕駛人注視行為和掃視行為.為深入分析入口區(qū)域“黑洞效應”和“白洞效應”對駕駛人獲取信息的影響，文中將分析正午(11：00—14：00)和夜晚(20：00—23：00)時段，并將傍晚(16：00—19：00)的數(shù)據(jù)作為對照，選取注視點分布范圍、平均注視時間、注視持續(xù)時間、注視次數(shù)、掃視幅度和平均掃視時間等指標對隧道入口區(qū)域的視覺特性進行分析.

1 實驗設計和數(shù)據(jù)采集

1.1 實驗隧道

某特長隧道為雙向四車道的分離式隧道，長度為4 060 m，設計車速80 km/h.依照《公路隧道照明設計細則》對隧道分段的規(guī)定，按照設計車速80 km/h計算，可得接近段為110 m，入口段為85 m，過渡段為295 m.

1.2 實驗設備及駕駛人

實驗車型為別克GL8，車輛性能良好.眼動數(shù)據(jù)的采集設備為德國某公司的Dikablis Professional眼動儀，其采樣率為60 Hz，視線追蹤精度為0.1°～0.3°，可配合數(shù)據(jù)分析軟件D-Lab采集和分析數(shù)據(jù).

由于實驗需要采集正午、傍晚、夜晚的數(shù)據(jù)，且在高速公路進行實驗，難以安排大量駕駛人進行實驗，因此安排單個駕駛人在每個時間段內(nèi)進行至少3次實驗，最終結果取平均值.本次實驗選取8名男性駕駛人和2名女性駕駛人，平均駕齡為5～10年，校正視力均在0.8以上，無生理缺陷和重、特大事故經(jīng)歷.實驗開始前確保駕駛人正常的生活作息，相鄰時段實驗保證有充足時間供駕駛人休息，避免疲勞.

1.3 實驗方法與數(shù)據(jù)采集

實驗時間為6月底的正午、傍晚、夜晚，保證隧道洞門內(nèi)外亮度在不同時段之間有較大差異，見圖1.

圖1 不同時段的隧道入口

對于實驗數(shù)據(jù)進行顯著性差異分析，若經(jīng)過Shapiro-Wilk檢驗表明，各組數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布(P>0.05)，且符合方差齊次性(P>0.05)，則進行單因素方差分析；若數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，或不符合方差齊次性，則采用非參數(shù)檢驗(friedman檢驗)來判斷數(shù)據(jù)的差異性.

2 注視點分布特征

2.1 不同時段注視點分布情況

選用典型駕駛人數(shù)據(jù)進行分析，不同時段下駕駛人注視點分布見圖2.

圖2 不同時段下駕駛人注視點分布

由圖2可知:入口區(qū)域不同區(qū)段的駕駛人注視點分布并不一樣，主要在水平X軸坐標上呈現(xiàn)較大差異.受隧道本身封閉環(huán)境的影響，在正午和傍晚時段，駕駛人在過渡段的注視點會比其他路段的更為分散，分布范圍更廣，而在夜晚時段，駕駛人在入口段的注視點分布范圍更廣.這說明駕駛人在進入隧道過程中的注視點分布會受行駛時段的影響.

2.2 水平及垂直方向注視點位置范圍

在行駛一段距離過程中，駕駛人會發(fā)生多次注視點停留行為.為減少注視點中的異常值(駕駛人會注視車內(nèi)、后視鏡或道路環(huán)境之外的區(qū)域)影響，選用X85-X15值來評定駕駛人在水平X軸上的注視點范圍，選用Y85-Y15值來評定駕駛人在垂直Y軸上的注視點范圍.水平方向上的注視點范圍和顯著性檢驗結果見表1.

表1 水平方向上的注視點范圍顯著性檢驗

水平X軸上的注視點范圍反映了水平視覺搜索范圍，也反映了駕駛人對路側信息的關注度.對表1進行分析，可得：

1)入口段的水平X軸注視點范圍：夜晚>傍晚>正午，說明駕駛人在夜晚會比白天更為關注隧道入口段的洞門和側壁情況.

2)在正午和傍晚時段，不同區(qū)段的X軸注視點范圍呈現(xiàn)顯著性差異，過渡段>接近段>入口段，說明駕駛人在正午和傍晚時，在過渡段上受隧道的側墻效應更為明顯，促使駕駛人不斷關注側墻，并保持一定的距離以避免與其相撞.其中入口段的X軸注視點范圍最小，可認為是正午和傍晚時段駕駛人在入口段會因黑洞效應影響，對道路正前方信息更為關注.

垂直Y軸上的注視點范圍反映了駕駛人垂直視覺的搜索范圍，見表2.由表2可知，行駛時段和區(qū)段并沒有對駕駛人的垂直視覺搜索范圍造成顯著性影響.

表2 垂直方向上的注視點范圍顯著性檢驗

3 注視行為特征

3.1 注視持續(xù)時間

注視持續(xù)時間是指行駛過程中注視活動持續(xù)的時間，反映了駕駛人獲取目標信息的難易程度.持續(xù)注視時間越長，說明駕駛人在行駛過程中越難獲取信息，處理信息難度更大.駕駛人在入口區(qū)域的注視持續(xù)時間比例見圖3.

圖3 隧道入口區(qū)域注視持續(xù)時間比例

由圖3可知，正午駕駛人有更高比例的1 000 ms以上的注視持續(xù)時間，說明駕駛人在正午時段獲取信息難度較高，其中在正午入口段的獲取信息難度最大.

3.2 平均注視時間

平均注視時間，是指駕駛人對某區(qū)域的累計注視時間除以注視次數(shù)后得到的時間，可以反映駕駛人提取該區(qū)域交通環(huán)境信息的難易程度.因此統(tǒng)計不同時段駕駛人在隧道入口區(qū)域不同區(qū)段下的平均注視時間，結果見圖4，其顯著性檢驗結果見表3.

圖4 不同時段隧道入口區(qū)域駕駛人平均注視時間

表3 平均注視時間顯著性檢驗

由圖4和表3可知:在正午時段，駕駛人在進入隧道過程中，平均注視時間先增加后減少，說明駕駛人在入口段更難提取相應的交通信息，駕駛人在正午入口段受“黑洞效應”影響更為嚴重，難以看清前方交通信息，使注視時間增長.

3.3 平均注視次數(shù)

統(tǒng)計不同時段駕駛人在隧道入口區(qū)域不同區(qū)段下的平均注視次數(shù)，結果見圖5.其顯著性檢驗結果見表4，行駛時段和區(qū)段對平均注視次數(shù)均無顯著性影響.

圖5 不同時段隧道入口區(qū)域駕駛人平均注視次數(shù)

表4 平均注視次數(shù)顯著性檢驗

4 掃視行為特征

4.1 掃視幅度

掃視幅度指的是一次掃視過程從開始到結束所覆蓋的范圍，反映了駕駛人通過掃視行為獲取信息的覆蓋范圍.駕駛人掃視幅度和顯著性檢驗結果見表5.

表5 平均掃視幅度顯著性檢驗

由表5可知，不同時段駕駛人在入口段的掃視幅度呈現(xiàn)較大差異，其中夜晚>正午>傍晚，與水平X軸上的注視點范圍呈現(xiàn)相同的規(guī)律，可解釋為夜晚受隧道入口段的發(fā)光誘導設施影響，獲得交通信息的范圍增加，更為關注隧道入口段的洞門和側壁.傍晚時段的不同區(qū)段的駕駛人掃視幅度的規(guī)律與水平X軸上的注視點范圍呈現(xiàn)相同的規(guī)律.由此可以認為駕駛人的掃視幅度越大，水平X軸上的注視點范圍也越大.

4.2 平均掃視時間

平均掃視時間是指駕駛人平均每次由一個注視點快速移動到下一個注視點的過程的時間.不同時段隧道入口區(qū)域駕駛人平均掃視時間和其顯著性檢驗結果見表6.

表6 平均掃視時間顯著性檢驗

由表6可知，在接近段行駛時，駕駛人在正午和夜晚的平均掃視時間均高于傍晚的時段的.在接近段中，洞外景物基本消失，駕駛人開始適應隧道明暗適應.受隧道入口正午的“黑洞效應”和夜晚的“白洞效應”影響，正午和夜晚的駕駛人在隧道外的接近段的精力比較集中，駕駛行為較為謹慎，信息搜索的精度要求更高，因此駕駛人掃視時間較長.同時“黑洞效應”比“白洞效應”的影響更為惡劣，且所需視覺適應時間更長，促使正午時段駕駛人在過渡段保持較高的神經(jīng)緊張感，對道路環(huán)境的觀察更為細致，因此正午時段過渡段的駕駛人的掃視時間會高于傍晚和夜晚的.

5 結 論

1)行駛的時段和區(qū)段會對駕駛人的水平注視點范圍、注視持續(xù)時間、掃視幅度造成一定的影響.正午駕駛人行駛時的區(qū)段會對平均注視時間產(chǎn)生影響，行駛時段會對平均掃視時間產(chǎn)生一定的影響.不同時段、不同區(qū)段的垂直注視點范圍和注視次數(shù)均無顯著性差異.

2)在正午時段，駕駛人在接近段有較長的掃視時間，在入口段有較長的注視持續(xù)時間，平均注視時間變長，水平注視點范圍減小，在過渡段受隧道側壁效應影響明顯，導致掃視幅度變大，掃視時間較長.

3)夜晚時段，駕駛人在接近段的掃視時間較長，在入口段有著較大的水平注視點范圍，較為關注隧道側壁情況，掃視幅度也更大.

4)文中探討了不同時段高速公路特長隧道入口區(qū)域視覺特性，為隧道入口區(qū)域的道路標志、標線的設施提供了參考依據(jù)，也為隧道入口區(qū)域交通事故成因研究提供足夠的理論依據(jù)，最終結論不僅適用于特長隧道入口，也可以應用于長隧道入口區(qū)域.

5)目前僅針對一個隧道的實車實驗數(shù)據(jù)進行分析，后續(xù)研究將擴大隧道和駕駛人的樣本數(shù)量，進而分析隧道平曲線、交通設施等因素對駕駛人的視覺特性的影響.